個人護理品中納米二氧化鈦調查及健康風險評價

師曜，王穎，李垚，郁美楓，董兆敏，范文宏,*

1. 北京航空航天大學空間與環境學院，北京 102206 2. 清華大學環境學院，北京 100084

納米二氧化鈦（titanium dioxide nanoparticles, TiO2NPs）具有良好的光學特性，同時化學性質較為穩定，特殊的性質決定了其廣泛的用途。目前TiO2NPs已被廣泛應用在涂料生產、污水治理、氣體凈化、抗菌殺菌、化妝品制造、食品包裝和特殊醫療技術等各個方面，顏料、紙、纖維、陶瓷、食品、化妝品和藥品等產品制造中都有TiO2NPs的使用[1-5]。由于TiO2NPs的尺寸小、比表面積大，具有良好的紫外線吸收反射能力，化學惰性，熱穩定性及不溶性，有較好的白度和著色性，故而被廣泛地應用于個人護理品（personal care products, PCPs），特別是牙膏、防曬霜和粉底液等有增白和防曬需求的產品中[6]。我國《化妝品安全技術規范》（2015年版）中規定二氧化鈦（titanium dioxide, TiO2）是準用著色劑和防曬劑[7]。

目前PCPs中TiO2NPs含量的研究已經引起了國內外有關學者的關注。Zachariadis和Sahanidou[8]和Botta等[9]均利用電感耦合等離子體原子發射光譜（ICP-AES）對面膜、防曬霜等產品中的TiO2含量進行了測定。Contado和Pagnoni[10]提出了利用方波伏安法（square wave voltammetry, SWV）測定商業基礎霜中TiO2含量，但該方法容易受到Cu2+的干擾。Weir等[11]利用電感耦合等離子體質譜（ICP-MS）對牙膏、防曬霜和洗發水等產品中的TiO2含量進行檢測，但樣品的預處理采用硝酸、氫氟酸和雙氧水進行消解，步驟較為繁瑣并且安全風險較大。

國內也有少數防曬化妝品中TiO2含量測定的研究。王傳慶[12]利用單寧酸與安替比林選擇性沉淀Ti4+的方法對10種防曬化妝品的TiO2含量進行了測定，包括3種粉底霜、3種粉餅、2種粉條和2種防曬霜。陳昌等[13]利用鈦與二安替比林甲烷在強酸中形成黃色絡合物的原理對10種防曬化妝品進行了分光光度法測定。

PCPs中TiO2NPs的廣泛使用和釋放導致人們關注其對人體的健康風險。已有的研究主要從呼吸道吸入、皮膚接觸和經口攝入等暴露途徑考慮其對消化道、心血管系統和神經系統造成的健康風險[14-18]。但是目前針對人體的實驗數據較少，主要是以鼠、豬、藻類和細胞等為研究對象。一些針對鼠類的吸入研究表明TiO2NPs可能會引發肺部炎癥和組織損傷[19]。關于TiO2NPs能否透過表皮進入皮膚深處的問題也有不同的研究結果[17, 20]。而針對藻類和細胞的研究發現TiO2NPs可能存在氧化脅迫效應或影響細胞的轉錄過程[21-23]。以上研究是通過實驗的方法評估TiO2NPs的健康風險，而通過模型評估也是重要的方法。李偉[24]通過計算比較人體針對食品中TiO2NPs的暴露范圍和可接受范圍，認為TiO2NPs對肝臟和脾臟的風險不大，但不排除對生殖系統的影響。本研究采用的美國環境保護局（US EPA）推薦的人體健康風險評價模型也是常用的評價方法之一[25]。

利用單顆粒電感耦合等離子體質譜（spICP-MS）進行單顆粒的粒徑分布和數量信息檢測是近年來新興的一種測定技術[26-29]。梁維新等[28]利用超聲輔助提取了防曬化妝品中的TiO2NPs顆粒。通過對比不同種類和濃度的提取劑的提取效果，確定了0.1%曲拉通-100（Triton X-100, TX-100）和5%乙醇的混合溶液作為提取劑的提取效果最好。實驗得出的spICP-MS的粒徑檢出限在35 nm，顆粒濃度檢出限約為1×104個·mL-1，在低于4×107個·mL-1的數量濃度時可以對防曬化妝品中的TiO2NPs顆粒進行準確測定。王丹紅等[29]在2018年利用強堿四甲基氫氧化銨對食品中的TiO2NPs進行了提取，然后利用spICP-MS進行了粒徑分布和顆粒濃度的測定。實驗結果表明四甲基氫氧化銨的提取效果較好，粒度檢出限在45 nm，顆粒濃度檢出限約為8.3×105個·mL-1。單顆粒的測定中提取劑的選擇與用量、粒徑檢出限和顆粒濃度檢出限等是影響檢測結果的重要因素。

TiO2NPs在PCPs中的大量使用可能存在的健康風險引起了廣泛關注，但是目前對于PCPs中TiO2NPs含量和粒徑分布的定量檢測研究較少，研究方法也具有一定的局限性。為了進一步了解目前我國市場上PCPs中TiO2NPs的使用情況，合理篩選市售PCPs作為研究對象，利用ICP-MS對樣品中的鈦含量進行定量檢測并利用US EPA推薦的人體健康風險評價模型計算鈦的非致癌風險商（hazard quotient, HQ）。同時利用spICP-MS這種新興的檢測技術對PCPs中的TiO2NPs進行檢測，定量分析其粒徑分布特征。

1 材料與方法（Materials and methods）

1.1 材料

本研究所用的濃硝酸、濃硫酸和硫酸銨均為購自上海阿拉丁生化科技股份有限公司的分析純試劑。鈦單元素標準溶液（中國計量科學研究院，100 mg·L-1）用于制備標準曲線以測定鈦含量。選擇硫酸-硫酸銨溶液（將60 g硫酸銨加入100 mL濃硫酸中，加熱至80 ℃以上并不斷攪拌直至溶液澄清透明）溶解TiO2。TiO2NPs標準品購自美國納米材料研究公司（US Research Nanomaterials, Inc.），晶型為金紅石型，粒徑為100 nm，純度>99.9%，表面具有聚乙烯比咯烷酮（polyvinyl pyrrolidone, PVP）包覆層。選擇TX-100提取TiO2，購自上海阿拉丁生化科技股份有限公司，純度為生化試劑級。實驗用水均為超純水（澤拉布儀器科技（上海）有限公司，Dura 12FV）。實驗儀器主要有消解儀（德國WTW，CR3200）和電感耦合等離子體質譜儀（Perkin Elmer，美國，NexION 350D）。實驗用玻璃儀器均在酸缸中浸泡過夜后用超純水沖洗干凈。

1.2 PCPs來源

本研究選用了23種PCPs產品（表1），其中包括9種牙膏、10種防曬類產品、2種潔面類產品和2種面膜類產品。產品采購自京東（https://www.jd.com/）、淘寶（https://www.taobao.com/）等電商平臺及某超市（北京昌平）。產品的狀態描述參考我國推薦標準《化妝品名詞術語》（GB/T 27578—2011）[30]。我國《化妝品安全技術規范》（2015年版）中規定TiO2作為著色劑使用時的索引號為CI 77891，索引通用名為顏料白6（pigment white 6），在各類化妝品中使用時應當在商品標簽中注明[7]。上述產品中均未標明TiO2的具體濃度及粒徑信息。

1.3 總鈦含量測定

TiO2NPs不易消解，在對比不同文獻消解方法的基礎上，綜合考慮成本及安全因素采用了Liang等[31]的消解方法，即采用硫酸-硫酸銨溶液消解。稱取0.05 g左右的樣品并加入2 mL濃硝酸和1 mL硫酸-硫酸銨溶液后置于消解儀中在148 ℃下加熱2 h。余熱趕酸結束后待冷卻至室溫再定容至10 mL。接著將定容后的溶液轉移到10 mL的離心管中在4 000 r·min-1下離心10 min。待離心結束取上清液稀釋過膜后使用ICP-MS進行測定。

1.4 TiO2 NPs粒徑分布測定

為確定PCPs中TiO2NPs的含量及粒徑分布，按照梁維新等[28]的方法對PCPs樣品進行前處理。具體方法是稱取0.05 g左右的樣品于100 mL的錐形瓶中，用0.1%TX-100+5%乙醇的混合溶液定容至50 mL。然后利用振蕩混勻器充分混勻后置于超聲波發生器中超聲提取30 min。待超聲結束后取混合溶液稀釋過膜后使用spICP-MS進行測定。1.4與1.3除樣品的消解步驟不同外，在ICP-MS的使用模式上也有所不同。在進行粒徑分布的測定時，需將ICP-MS調整為時間分辨率模式，此時測定的實驗儀器的參數設置如表2所示。

1.5 人體健康風險評價

本研究采用US EPA推薦的人體暴露健康風險評價模型對PCPs中鈦的健康風險進行評價[25, 32]。本研究中將TiO2作為非致癌物質來考慮其健康風險。使用公式（1）～（3）計算了TiO2的皮膚日均吸收劑量（dermal absorbed dose, DAD）和日均慢性攝入劑量（chronic daily ingestion, CDI）。

表1 本研究選用的個人護理品（PCPs）的相關信息Table 1 Information of personal care products （PCPs） selected in this study

表2 單顆粒電感耦合等離子體質譜（spICP-MS）參數設置Table 2 Instrument parameters of single particle inductively coupled plasma mass spectrometer （spICP-MS）

（1）

DAevent=Cs×CF×AF×ABSd

（2）

（3）

式中：DAD為皮膚日均吸收劑量（mg·kg-1·d-1），DAevent為單次吸收劑量（mg·cm-2），EF為年暴露頻率（d·a-1），ED為暴露期（a），EV為日均暴露頻率（d-1），SA為皮膚接觸面積（cm2），BW為體質量（kg），AT為非致癌效應的暴露期（AT=ED×365 d·a-1）。Cs為固體介質中污染物濃度（mg·kg-1），CF為體積轉換因子（10-6kg·mg-1），AF為固體介質的皮膚附著因子（mg·cm-2），ABSd為皮膚吸收系數，量綱為1。CDI為經口攝入的日均慢性攝入劑量（mg·kg-1·d-1），IR為經口攝入的日均攝入量（kg·d-1）。上述各參數使用的參考值如表3所示。

US EPA模型中未給出鈦的ABSd值，本研究中選取與鈦在同一周期的元素砷的ABSd值作為參考，即0.03。本研究中SA的估算主要采用了王宗爽等[33]的研究結果。關于我國人群的皮膚暴露面積的估算在許多文獻中都有提到，并且建議考慮人種等情況的差異，不宜直接應用US EPA推薦的數據[33-35]。對于防曬類產品，皮膚暴露面積估算為頭部、前臂、小腿的暴露面積之和，估計為0.428 m2。對于潔面類和面膜類產品，皮膚暴露面積估算為頭部面積，估計為0.121 m2。本研究認為人體暴露于牙膏樣品中的TiO2屬于經口攝入這一暴露途徑并且假定每日牙膏用量的10%被人體攝入[36]。因此，本研究假定牙膏的每日用量為0.001 kg·d-1，則牙膏的TiO2日均攝入量為0.0001 kg·d-1。進一步使用公式（4）～（5）計算TiO2的非致癌風險商（HQ）。

（4）

表3 人體健康風險評價參數的參考值Table 3 Parameter values for human health risk assessment

（5）

式中：HQdermal為皮膚暴露的非致癌風險商，HQoral為經口攝入的非致癌風險商，二者均量綱為1。RfD0為皮膚接觸/經口攝入的日均參考劑量（mg·kg-1·d-1），ABSGI為消化道吸收效率因子，量綱為1。鈦的RfD0在文獻中無參考值，本研究中選取了Wang等[37]的預測值，即1.06 mg·kg-1·d-1。鈦的ABSGI值亦無參考值，因此選取與鈦相鄰元素釩的ABSGI值作為參考，即2.6%[25]。HQ≤1表示風險較小可忽略，HQ>1表示存在非致癌風險。

2 結果與討論（Results and discussion）

2.1 PCPs樣品中總鈦含量

利用ICP-MS檢測樣品中的總鈦含量，結果表示為單位質量樣品中鈦的質量（mg·kg-1）（以Ti計），并計算了相應的TiO2的質量分數（表4）。我國《化妝品安全技術規范》（2015年版）中規定TiO2作為防曬劑使用時的最大允許濃度為25%（以質量分數計），可見樣品的檢測結果均遠小于這一標準用量。對比檢測結果可以發現，除牙膏7、防曬8和防曬10等3種樣品中未檢出TiO2外，其余樣品中總鈦的含量差異很大，含量在（16.8±3.7）～（14 264.2±4 302.3） mg·kg-1。牙膏樣品中的鈦含量在（16.8±3.7）～（1 384.4 ±314.9） mg·kg-1，這與Weir等[11]對8種牙膏的檢測結果700～5 600 mg·kg-1相比有較大差異。通過防曬類產品的測定結果與部分已有研究結果的對比（表5），發現本研究所選用的防曬產品中的鈦含量普遍小于之前研究報道的結果。本研究中鈦含量較低的原因一方面可能與本研究采用的樣品本身的性質有關，防曬類產品中TiO2的含量確實較低。另一方面，由于儀器操作規程的要求，在測定前進行濾膜過濾時也可能引起樣品中Ti含量的損失。

表4 個人護理品（PCPs）樣品中總鈦含量Table 4 Total content of Ti in personal care products （PCPs） samples

表5 防曬類產品中總鈦含量比較Table 5 The comparison of total content of Ti in sunscreen samples

之前的相關研究中普遍關注防曬產品，而潔面類產品研究較少，本研究選用的2種潔面類產品均檢測到了TiO2。面膜類產品中通常也會添加TiO2作為著色劑，Zachariadis和Sahanidou[8]就曾在1種清潔面膜中檢測出了（13.9±0.48） mg·kg-1的鈦，而這一結果明顯低于本研究的測定值（2 250.8±229.3） mg·kg-1和（5 388.9±1 532.9） mg·kg-1。這表明需要更加全面地考慮市售PCPs產品中TiO2的使用情況，從而對人體可能接觸的TiO2含量進行更加科學的評估。

對比含量檢測結果與標簽標注情況可以發現，防曬類產品和面膜類產品的檢測結果與商品本身標簽注明的成分是相符的。對比同一種品牌2種不同系列牙膏樣品（牙膏1和6）的鈦含量水平，發現二者含量相近，故牙膏6可能未按實際情況標明產品中含有TiO2。同時，牙膏7樣品確實未檢出TiO2，這說明雖然TiO2在牙膏中是應用廣泛的著色劑，但是并不是所有的產品均會使用。潔面類產品2中也檢測到了TiO2的存在，這與商品的標注情況不一致。這表明我國應當進一步加強對商品標簽標注的管理，包括加強對進口商品的監督和管理。

2.2 PCPs樣品中TiO2 NPs的粒徑分布

為了初步探究典型PCPs樣品中TiO2NPs的粒徑分布，本研究進一步選取了12種PCPs，包括4種牙膏（牙膏1、2、3和4）、4種防曬類產品（防曬露1、2，防曬乳1、2）、2種潔面類產品和2種面膜類產品進行spICP-MS的測定。根據儀器檢測出的單一粒徑下的顆粒出現的次數進行統計分析。

從粒徑分布的統計結果上可知，4種牙膏中TiO2NPs的粒徑分布存在差異（圖1（a）～（d））。牙膏1和4中TiO2NPs的粒徑分布比較集中（60～120 nm），2和3相對來說較為分散。并且2和3中TiO2NPs的粒徑普遍大于1和4。這表明雖然都是牙膏產品，但是其使用的TiO2NPs的種類可能是不同的。4種防曬類產品中只有防曬露2檢測到了TiO2NPs，并且粒徑分布也比較集中（140～200 nm）（圖1（g））。但是這一結果明顯要比牙膏1和4中TiO2NPs的粒徑分布集中的粒徑區間要高。其余防曬類產品均檢測出了鈦但未檢測出TiO2NPs的原因可能與spICP-MS方法的檢出限有關。防曬類產品中TiO2NPs粒徑測定的主要方法有掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）等，單顆粒電感耦合等離子體質譜（sp ICP-MS）是近年來的一種新興技術。Lorenz等[38]利用TEM觀測到防曬霜中的TiO2NPs的形貌有球形、針形多種。球形的TiO2NPs的粒徑在20～160 nm，針形的長為40～80 nm，寬為5～18 nm。Lu等[39]也利用TEM觀測到商業防曬霜粉中TiO2NPs的粒徑在（24.5±8.1）～（49.6±17.0） nm，與spICP-MS的測定結果基本一致。Philippe等[40]也利用TEM觀測到了形態各異的TiO2NPs，有2種防曬類產品中TiO2NPs的粒徑在20 nm以下。而本研究測定中spICP-MS的檢測限為21.43 nm。所以部分防曬類產品中Ti含量高但未檢測到TiO2NPs粒徑分布的可能與spICP-MS的檢測限有關。單顆粒粒徑分布測定方法的檢出限與儀器參數的設定有關，已有的研究中粒徑檢出限普遍在30～50 nm左右[26-29]。粒徑過小的納米顆粒很難用spICP-MS方法檢出，這說明其余防曬類產品中TiO2NPs的粒徑分布可能均小于此次測定的粒徑檢出限。而粒徑更小的TiO2NPs更有可能堵塞毛孔或者滲透進入人體皮膚，對人體的健康風險可能更大。未來可以考慮結合SEM等方法對樣品中的TiO2NPs進行進一步的表征來驗證相關結論。2種潔面類產品（圖1（e）～（f））和2種面膜類產品（圖1（h）, 1（i））中均檢測到了TiO2NPs，但粒徑分布整體來說較為分散，并且隨著粒徑的增加相應的TiO2NPs數量也減少。

圖1 部分個人護理品（PCPs）中TiO2 NPs粒徑分布統計圖注：（a）～（d）代表牙膏1～4；（e）～（f）代表潔面1～2；（g）代表防曬2；（h）～（i）代表面膜1～2。Fig. 1 TiO2 NPs particle size distribution in some personal care products （PCPs） samplesNote: （a）～（d） for toothpaste 1～4; （e）～（f） for cleaner 1～2; （g） for sunscreen 2; （h）～（i） for mask 1～2.

上述12種PCPs樣品中TiO2NPs的最大頻率粒徑和平均粒徑的結果如圖2所示。根據測定結果發現，檢測出的TiO2NPs的平均粒徑總是在一定程度上高出最大頻率粒徑，這可能是由于樣品中存在較大粒徑的TiO2NPs導致的。由于最大頻率粒徑在一定程度上反映了樣品中大多數TiO2NPs的粒徑分布情況，所以重點對樣品的最大頻率粒徑進行分析。在4種牙膏中均檢測到了TiO2NPs，最大頻率粒徑分別為（76.6±6.2）、（188.8±3.5）、（235.0±8.0）和（88.2±16.4） nm。2種潔面類樣品的最大頻率粒徑也均在100 nm以下，分別為（75.4±7.2） nm和（83.9±2.1） nm。2種面膜類樣品的最大頻率粒徑分別為（145.7±45.6） nm和（122.7±21.4） nm。這表明選擇的大部分PCPs中均存在TiO2NPs，但是粒徑分布的差異較大，表明這些產品可能使用了不同的TiO2NPs。相對來說，牙膏1中的鈦含量雖然較其他產品更低，但是平均粒徑及最大頻率粒徑卻是所有檢測產品中最小的，需要進一步評估其對人體的健康風險。

2.3 PCPs樣品中鈦的健康風險評價

本研究中選用的PCPs中鈦的日均暴露量及鈦的非致癌風險商的計算結果如表6所示。本研究中PCPs中鈦的非致癌風險商在1.75×10-5～9.30×10-2之間，表明鈦的人體健康風險較小可以忽略。此外，與江媛媛等[32]對抗菌消費品中銀的非致癌風險商的研究結果相比，可以發現個人護理品中鈦的健康風險也遠小于部分抗菌消費品中銀的健康風險。通過對比可以發現，雖然牙膏產品與其他產品的暴露量差異不大，但其非致癌風險商卻更低，這主要與牙膏是經口暴露有關。并且對于同樣是皮膚暴露的防曬、潔面和面膜類產品，按照1.5中的評價方法，很可能高估了潔面類產品和面膜類產品的日均暴露頻率，這可能會引起較大的誤差。

圖2 個人護理品（PCPs）樣品中TiO2 NPs的最大頻率粒徑與平均粒徑注：A～D代表牙膏1～4；E～H代表防曬1～4；I、G代表潔面1～2；K、L代表面膜1～2。Fig. 2 Most frequency size and mean size of TiO2 NPs in personal care products （PCPs） samplesNote: A～D represent toothpaste 1～4; E～H represent sunscreen 1～4; I～G represent cleaner 1～2; K～L represent mask 1～2.

表6 個人護理品（PCPs）樣品中鈦的健康風險評價結果Table 6 Results of health risk assessment of Ti in personal care products （PCPs） samples

綜上所述，目前市售的部分PCPs中添加TiO2NPs作為原材料，并且沒有在標簽中特別說明，spICP-MS測定的結果顯示粒徑大小約為40～400 nm。鈦的健康風險評價的結果表明本研究選擇的PCPs中的TiO2NPs在人們日常生活中的健康風險較小。本研究尚存在一定的局限性，例如產品的檢測范圍有待進一步擴大，人體健康風險評價模型中鈦的皮膚吸收系數、消化道吸收效率因子等參數需要進一步研究確定。未來亟需開展更多關于納米尺寸的健康風險評價研究，提高對TiO2等納米材料的人體健康影響的認識，更好地管理和使用納米材料。